1、空气动力学空气动力学，是流体力学的一个分支,主要研究物体在空气或其它气体中运动时而产生各种力。 空气动力学为流体力学在工程上的应用力学，特别讨论在马赫数大于 0.3 的流场情形。 空气动力学因为讨论的状况接近真实流体，考虑了真实流体的黏滞性、可压缩性、三维运动等特点，所以得到的计算方程式比较复杂，通常为非线性的偏微分方程式形式。这种方程在绝大多数的情况下都难以求得解析解的，加之早期计算技术还比较落后，所以当时大多是以实验的方式来求得所需的数据。 随着计算机技术的迅速发展，使用计算机进行大量数值运算来求解空气动力学方程式成为可能。利用数值法以及计算流体力学方法，可以求出非线性偏微分方程的数值解，
2、得到所需要的各种数据，从而省去了大量的实验成本。由于数学模型的不断完善以及计算机计算能力的不断提高，现在已经可以采用电脑模拟流场的方式来取代部分空气动力学实验。其他领域中的空气动力学除航空航天外，空气动力学在其他领域也有非常重要的应用。在包括汽车在内的所有交通工具的设计中，它都是一个很重要的因素。大型建筑物设计到风载荷，市内空气动力学研究城市的微气候环境，环境空气动力学研究大气环流和飞行对生态系统的影响。还有引擎设计所涉及的热流和内流也是空气动力学非常重要的一个方面。连续性假设气体是由微观上不断作热运动并相互碰撞的分子组成的。然而在空气动力学中，气体被假定为连续的。这是因为气体的各种性质如密度
3、、压力、温度以及速度在无限小的点上有很好的定义，而且从一点到另一点是连续变化的。气体的离散性和原子性可以忽略不计，所以从宏观上来讲，气体是可以被看成具有连续性的物质。 当然气体非常稀薄时，连续性假设不再成立，此时采用统计力学研究是一种更好的选择。守恒定律空气动力学问题的求解依赖于气体在三个方面的守恒： 质量守恒：只有在气体的速度高至必须考虑相对论效应时此定律才会失效。 动量守恒：由牛顿第二定律推导可得。 能量守恒：在不考虑粘性时，即机械能守恒；在必须考虑粘性的情况下，即机械能和热能的守恒。附面层流动附面层（又叫边界层）是一个非常重要的概念。1904 年，德国著名科学家普朗特(Prandtl)首
4、先提出边界层的概念。它来源于这样一个基本事实：通常情况下，空气的粘性或摩擦作用只在靠近物体表面很薄的一个区域内起主要作用，离开这个区域，粘性的影响急剧下降。我们称这样一个很小的区域为附面层（边界层）。边界层概念的提出，使得许多以前难以求解的问题变得可以求解，因为我们只需要在很小的一个区域考虑粘性的影响，求解 纳维-斯托克斯方程。而在其他区域，只需要求解势流或者求解描述无粘性流体运动的欧拉方程。众所周知，势流和欧拉方程的求解难度远远低于纳维-斯托克斯方程。亚音速空气动力学亚音速空气动力学大量用于赛车和部分商用车设计当流体流动速度小于音速时，我们称之为亚音速流动。更进一步，当马赫数（即流体速度与音
5、速之比）小于 0.3 时，气体的可压缩性可以忽略不计。跨音速空气动力学当流体速度接近或略超过音速（即马赫数约等于 1 时），我们称之为跨音速流动。跨音速流动的典型特征是激波和膨胀波。在其区域内，流体的各种性质发生剧烈变化，幅度之大，以至于我们可以认为通过激波的流体是不连续的。跨音速流动要比单纯的亚音速和超音速都要复杂。超音速空气动力学超音速空气动力学研究当流动速度大于音速时的情况。比如计算协和飞机在巡航状态下的升力就是一个超音速空气动力学问题。超音速流动和亚音速流动有着显著的不同。在亚音速时，压力波动可以从流场后方传递至前方，而在超音速时，压力波动则无法传递至上游。这样，流体性质的变化便被压缩
6、在一个极小的范围内，也就形成了所谓的激波。激波会将大量的机械能转化成热能。伴随着高粘性（参照雷诺数）流体的可压缩特性，激波的出现，是亚音速和超音速空气动力学的基本区别。风的形成乃是空气流动的结果。风能利用形成主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。 风就是水平运动的空气，空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；再高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应
7、沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。 地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向右偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向里的影响。大气真实运动是这两力综合影响的结果。 实际上，地面风不仅受这两个力的支配，而且在很大程度上受海洋、地形的影响，山隘和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地却磨擦大使风速减少，孤立山峰却因海拔高使风速增大。因此，风向和风速的时空分布较为复杂。 陆地上的海洋上的水被太阳蒸发到空中，遇到冷空气凝结，就会下雨风：由于纬度、经度差异，太阳照射使得地表热量分布不均，从而发生空气流动
8、，就形成了风。 雨：蒸发的水蒸气在液化后空气中聚集，形成凝结核，逐渐增大，当到达一定程度时就会形成雨落。 雷电：由于云层相互摩擦、碰撞而使不同的云层带不同的电，当电压达到可以穿过空气的程度以后，临近的两片云层会发生放电现象，产生电花和巨大的响声。 风雨雷电的形成一、风雨成因的现代解释对于风的成因，目前一般解释为，一是由于太阳加热地面导致的空气热对流；再就是由于温度高的气体膨胀，密度小，温度低的气体收缩，密度大，这样在冷空气和暖空气之间会出现水平气压梯度力，在水平气压梯度力的作用下，气压高的冷空气就会向气压低的暖空气中流动，于是就形成了风此外，还有地球自转以及天体引潮力的影响等然而，这样的机制似
9、乎只能解释一些平稳、微弱的小风、微风，不能解释台风、龙卷风、飓风、飑风等等之类的强风一方面，台风、龙卷风的涡旋特征难以用“气压梯度力”或“热对流” 加以说明，另一方面，它的猛烈程度、巨大的风速以及所谓飑风的爆发性，都难以用“气压梯度力”和“ 热对流” 加以说明如“对强台风，海洋上最大风速一般可达 6070米/秒，曾经观测到最大风速为 110 米/ 秒的台风”1不言而喻，“热对流”和“水平气压梯度力”都不足以产生这样的强风因为人所共知，水即使被加热到 100，也只是表现为并不太剧烈的沸腾而已；空气被加热时如烟囱中冒出的烟，虽然被数百度乃至上千度的高温烘烤着，其运动速度往往也并不很剧烈更不用说因太
10、阳辐射导致的低层大气温度常常只有数十度，温差也并不很大，更不足以引起类似飓风、台风、飑风这样十分猛烈的强风对于雨、雪的成因，现代科学解释为：雨雪是由海洋、江河湖泊中的水受太阳照射蒸发，进入大气，由于太阳加热地面导致空气对流上升，含有水蒸汽的空气进入高空遇冷而重新凝结为云，云粒子又发生碰并增长等过程而形成雨雪但是，这样的理论用来解释平缓的小雨也遇到了巨大的困难，更无法解释暴雨、巨大冰雹等特殊气象现象首先面临的问题是：在炎炎烈日下和干燥、赤热的空气中，被蒸发的水分是否能够长时间地以水分子的形态存在？因为被蒸发的水并非径直走到高空就立即遇冷凝结为水，而是要经历很长时间的，强烈的阳光和宇宙射线能使空气
11、发生电离，同样也能使水分子发生离解和电离被蒸发的水分子在干燥、赤热的空气中漂浮数天、数十天以后还有多少能以水分子形态存在，是一个严重问题显而易见的是，被蒸发的水分子在大气中的运动路径上遇到的太阳光子“炮弹” 的轰击是十分密集的，尤其在夏季太阳直射时更是如此也许用不了很长距离，就会有很大一部分水分子被离解为氧原子和氢原子，一部分被电离为氧离子和氢离子来自太阳的高能光子和其它高能粒子足以使水分子分崩离析、土崩瓦解水蒸汽在大气中运动的距离越长，这种情况就会越多发生“潮湿空气对流上升冷凝成雨说” 面临的第二个困难问题是：根据热带地区观测，有些雷雨云为暖云“理论无法解释在自然界中经常发生的暖云降水过程”
12、 你说是冷凝成雨，可偏偏暖云也能下雨于是学者们便不得不去寻找一些新的理论来解释暖云降雨再者，人们早已注意到，“云滴从大气凝结核上形成，并长大成雨滴是一个十分艰巨的过程以对流云为例，它的云滴半径一般为 10m，若大气凝结核的大小以 0.1m 计算，则从一个凝结核上成长为云滴时，它的体积要增加一百万倍对流云降水其雨滴半径一般为 1000m以此计算，则一个云滴长大成为雨滴时，其体积又要增加一百万倍对于开始的凝结核而言，则是增加到 1012 倍（万亿倍）而在大气中这过程又是在很短时间内完成的（对流云降水性质为阵雨）因此，这确实是一个十分惊人的快速过程认为是潮湿空气对流上升成云的观点尤其不能解释暴雨、大
13、暴雨的发生机制那些数小时甚至一小时就下了数百乃至上千毫米的豪雨、“倾盆大雨” 、“瓢泼大雨”，需要有体积多么庞大的“潮湿空气”以多么快的速率上升并凝结啊！而且这需要天空有一个效率多么高的“制冷机” 啊！否则潮湿空气是无法快速冷凝成雨的而在降雨过程中，尤其在瓢泼式的降雨过程中，高度密集的雨滴会使空气上升受到巨大阻力，使空气难以快速上升何况地面上又一时哪里来那么多潮湿空气呢？如果是从海洋上空输送而来的,那又需要多么高的输运速率呢？而潮湿空气又何不在海洋上空就凝结成雨呢？何况，实验研究证明，“水均质成核需要过饱和度达 320%，而实际大气中过饱和度很少达到 1%”这是多么巨大的悬殊！虽然人们不得不把
14、“水汽凝结 ”勉强解释为“大气中总是存在相当数量的凝结核”，但 “原则上”也必须“ 要有足够高的水汽过饱和度” 可惜实际大气却满足不了这样高的水汽过饱和度人们也早已注意到，“只靠气柱内的水汽上升凝结并全部降落也不足以造成一场特大暴雨以 1975 年 8 月河南林庄大暴雨为例，林庄附近当日气柱中的可降水量为 80 毫米，而24 小时雨量为 1060 毫米，后者为前者的 13.3 倍又如 1981 年 7 月四川大暴雨期间，成都龙泉驿站 24 小时雨量 314 毫米，而大气中的可降水量只不过 70 毫米（13 日），前者为后者的 4.5 倍所以，“截至目前为止，暴雨形成机制还不完全清楚，尤其是特大
15、暴雨的成因，尚有待于详细分析研究”如果说亏缺的水汽是由远处输运而来，则需要很高的输运速率，这必然形成大风（且输运的水汽必须贴近地面才能对流上升），而大风又会将积雨云吹跑这是一个严重的矛盾而每一个人都有的经验是：凡暴雨时空气都是很稳定的、基本无风的，有强风的雨很快会停止而晴天现有的理论也不能解释冰雹尤其是巨大冰雹的成因因为“要造成地面成灾的冰雹直径应在 5 毫米以上，考虑到降落时将经过 24 公里以上厚度的正温区（温度大于 0）而融化问题，云中冰雹直径应大于 1 厘米，为支托这样大小的冰雹，云中必须有大于 15 米/秒以上的强上升气流（相当于 7 级风）而如果是像鸡蛋、拳头一样大甚至更大的冰雹，
16、则需要多么强的上升气流，又需要多么长的生长时间呢？并且，理论计算和实验表明，要在十来分钟时间里从冰雹胚胎增长到 1 厘米直径的冰雹，则云中含水量至少应大于 10 克/米3，何况还有像鸡蛋、拳头一样大甚至更大的冰雹而积雨云内最大含水量往往才达到 0.451.0g/米实际的情况是，有些罕见冰雹，大得足够惊人如“1923 年 10 月 23 日申报10 版报道一则陕北空前大冰雹云：（冰雹）方其降时，初仅若豆，继则若卵，后竟若拳，损伤人畜田禾不知凡几雹止后，横山县官绅，出城验灾，则半里至沙滩，突遇一物，透明结晶，高丈余，直立地上，就地掘三尺余深，犹未尽其根，周围十人，莫能合抱，及日出，始知为最大之冰雹
17、也”又“清刘献庭广阳杂记 卷二第 80 页载：“ 太白，地高寒冷侵人且多雹，有片云起雹即落，有大如屋者，路见云色异即疾走山岩下以免，若行迟或不谙径，多为雹伤清傅维麟丛书集成明书 卷二十八 志司天志第 714 页载：“ 明成化八年七月陇州雨雹，如牛者，五、六日始消”第 717 页载：“崇祯元年山西大雨雹如象，经月不消”道光广东新会县志卷十四载：“清嘉庆十一年丙寅二月二十二日雨雹如拳如斗如牛，大者重数百斤，落处地为之震，而潮阳湖居坏庐舍尤多周密稽神录载：“国初杨汀自言天佑初在彭城避暑于佛寺，雨雹方甚，忽闻大声震地，走视门下乃下一大雹于街中，其高与寺楼等，入地可丈余经月雹乃消尽”如牛如象，高与寺楼等
18、，十人莫围的巨雹，需要多长的“生长时间” ，又需要多么强大的“ 气流” 才能托住让它长大呢？另外，按照蒸发冷凝成雨机制，只能认为地球从一诞生就存在海洋湖河，几十亿年以来一直在重复着这样的蒸发降雨的循环过程如果地球诞生之初并没有海洋湖河，水就无从蒸发，也无从降雨而这显然是不符合实际的地球上的水是一个从无到有，从少到多的过程蒸发冷凝成雨机制显然不足以说明这样的过程诚然，被蒸发的海洋湖河中的水，一部分最终可能会以水的形态回到地面，但它可能是经过蒸发水蒸气氢气、氧气（或氢原子、氧原子）氢离子、氧离子复合 降雨这样的循环过程的，而不是蒸发水蒸气冷凝 降雨这样简单的循环过程当然，也不排除极少部分水分经历了
19、这样的简单过程，但这可能不是水循环的主流环节对于雷电的成因，现有理论认为，由于某种“起电机制” 而使云中正负电荷不断分离，当正负电荷中心电场达到一定强度后，击穿空气产生闪电，并使空气振动形成雷声关于云中电荷如何产生和分离，一个世纪以来众多研究者曾提出过多种理论和假说，如离子选择捕俘起电，离子扩散起电，极化起电，水滴破碎起电，对流驱动机制，水的冻结和融化起电，冰晶的碰撞和破裂起电，凇附起电等等但这些机制常常都适应于所有的积雨云，难以说明为什么有些降雨或降雪过程没有闪电（它们同样存在上述机制），而且这些起电机制的起电效率往往较低，难以解释一些间隔时间极短的密集闪电同时，由于闪电是一个能量释放过程，
20、作为它的逆过程，“云中起电” 必须要有相应的能量输入，而现有机制并不能提供这样的能量输入现有的起电理论尤其无法解释那些罕见的奇异的雷电现象如民国大荔县志足征录异征记载：“民国二十二年六月二十二日鸡鸣时天黑如墨，电光闪耀，如自天降如自地起，上下融成一片，而雷声隆隆如转磨如循环，无从辨其起讫，经两小时而后止”1931 年美国气象学会会志十二卷 130 页刊载了最奇怪的闪电一则：1927 年10 月 3 日著名的德国气象学家瓦尔特 克诺赫博士在坐汽船从南美洲的巴拉圭河顺流而下的航程中偶然见到了一场闪电，在电暴之前或电暴期间都没有下雨下午 7 点钟没有预兆，突然整个天空都开始了电暴克诺赫博士说：即使想
21、要大概计算一下闪光的数目，恐怕也是不可能的这样壮观的场面持续了好几个小时却没有打雷雷声突然在半夜一点半开始，以后一直持续到凌晨 4 点最后的闪电是在上午 8 点钟在汽船的后面看到的1993 年 8 月 13 日中国科学报载“美国东海岸今年 3 月中旬的一场暴风雪曾产生大约 59 万次闪电现有的任何一种起电机制都不足以说明云中（或大气中）为何会有如此之高的“起电”效率，能在极短时间内积聚巨大能量如果对一种现象的基本认识是错误的，那么建立在这种错误基础上的理论，也很难得出符合实际的正确结果二、风雨雷电可能的真实成因那么，风雨雷电的真实成因可能是什么呢？我们知道，大气科学把大气层分为若干层，由地面向
22、上依次为：对流层、平流层、中层，中层以上是热层，也即电离层，电离层以上是磁层电离层、磁层主要由荷电粒子（电子、质子及各种原子离子、分子离子等）构成但这只是一种人为的分层，它们之间并不存在截然的界限人们已经认识到，太阳辐射加热地面会引起空气自下而上的上升对流，却没有对太阳能量实际上是从大气顶层磁层、电离层进入大气（自上而下）的这一事实给予足够的重视而且，进入顶层大气的“原初” 的太阳射线要比穿过大气层被大量吸收后到达地面的太阳射线能量强得多太阳对顶层大气的加热同样能使顶层大气（磁层、电离层）向低层大气对流（相关证据见下文），电离层中的等离子体受太阳自上而下的加热对流到低层大气后，由于低层大气电离
23、度较低，电场较弱，使等离子体的复合率大于电离率，发生单体复合和集体复合，就形成了风雨雷电此机制基本上可以解释所有的相关现象并与观测事实较好地相符为什么电离层中的等离子体对流到低层大气发生复合，就能产生风雨雷电等现象呢？这里首先需要介绍一下等离子体的基本概念：等离子体是由带电粒子和中性粒子组成的一种表现出集体行为的准中性气体而且，“气体中只要有 0.1%的分子被电离，就已经具有了等离子体的性质”就是说，等离子体是由少数带电粒子和多数中性粒子组成的气体按照等离子体物理学，除非在电场较强，能量较高的情况下，等离子体复合主要表现为分离复合（复合为原子离子或分子离子）外，一般情况下，等离子体将主要复合为
24、中性粒子大量的中性粒子就会结合形成或气体、或液体、或固体物质因此，可以预料，等离子体复合的产物共有四种：1气体物质；2液体物质；3固体物质；4等离子体由于复合过程是电离的逆过程，物质发生电离时吸收的能量便会在复合过程中释放出来，所以复合过程是一个放能过程，这个过程会有大量能量释放出来等离子体复合为气体（氢、氧、氮等各种气体物质）时就会使空气增加，而这可能就是空气起源的源头，同时释放的巨大能量猛烈地推动空气运动，形成风暴（台风、龙卷风、飓风、飑风等）等离子体单一地复合为气体时形成大风并可出现“干打雷，不下雨” 的现象等离子体复合为液体（水或其他有机类或无机类液体如血雨、酸雨、黑雨等）时就形成降雨
25、现象表明，这个过程常常分为两个过程：第一个过程是等离子体发生单体复合（一对或若干对正负离子的复合），这是一种随机复合，复合的结果是形成云、雾；第二个过程是：由于单体复合是不完全复合，复合后的云粒子仍带有正电荷或负电荷并形成电场，电场经过一定时间的演化，逐渐形成正电荷中心和负电荷中心，正电荷中心和负电荷中心在电场库仑力的作用下发生集体相互作用，当电场达到一定条件时，就会发生等离子体集体复合（这个过程包括化学过程，准确地说是等离子体条件下的特异化学反应），集体复合速率极高，瞬间即可形成雨滴、雪花、冰雹在某些特殊情况下，等离子体也常常不经过单体复合，而直接发生集体复合，从而形成“晴空暴雨” 奇观而这
26、可能同时也就是地球之水和海洋湖河起源的源头猛烈的复合过程是在复合率超过电离率的临界点后突然发生的，所以会形成突发狂风和暴雨对于空间等离子体复合成水的认识，前苏联学者也曾提出：太阳风把由重粒子（质子）组成的微粒带到大气圈里来，这些微粒在大气圈中与电子结合时变为氢和氧的原子并形成分子起初形成 OH 和 HO2，它们之间相互反应或单独与氢作用时生成水分子，同时放热：OHH H2O（16 卡/克分子）OHOH2 02H2O（708 卡/克分子）12等离子体复合为固体时，就形成冰雹、沙尘暴、鹅卵石、砾石等，而这也可能就是土壤、沙漠起源的源头等离子体复合的结果并不一定全是中性粒子，同时由于能量的猛烈释放，
27、复合过程还会形成一部分等离子体并使一些中性粒子重新电离为等离子体，使这个过程循环演进，而使风暴、暴雨、尘暴得以长时间地维持复合为等离子体的过程称为分离复合等离子体复合常常同时复合为气体、液体、固体、等离子体，如台风过程中，既有狂风，又有暴雨，雨水中有时还夹杂着冰雹、沙尘等但在某些特殊条件下，也常常单一地复合为气体（形成风暴）、液体（降雨等），固体（雪、霰、冰雹、沙尘暴等）空间等离子体究竟会复合为什么形态的物质，可能取决于等离子体中的离子成分和电场状况闪电实质上即是一种“带有辐射的复合，一个正离子吸收一个电子变成一个激发原子并同时发射光子以带走剩余的能量，即：A+eA* h （1）这种过程是稀薄
28、等离子体中的主要的复合过程，因此对天文等离子体非常重要另外还有三粒子碰撞的复合，一个正离子与两个电子同时碰撞，其中一个电子与离子结合组成一个激发原子，另一个电子带走剩余的能量，即：A+eeA*e （2）在比较稠密的等离子体内它是主要的复合形式（闪电中显然也存在这样的复合形式，所以将导线接入闪电区会观测到强电流）第三种情形是离解复合，一个带正电的分子离子吸收一个电子而变成一个激发分子，这个分子是非常不稳定的它几乎立即离解为一个激发原子和一个中性原子，即：（AB）+e(AB)* A*B (3)其中剩余能量转化为离解碎片的动能；这种复合形式在电离层中经常出现13这个过程将分子离子转化为原子，太阳辐射
29、、宇宙射线又会将原子进一步电离为正离子、电子或质子、电子这就是说，闪电并不仅仅是正负电荷中心在电场达到一定强度后对空气的击穿放电，它的实质是正负离子在达到一定条件后发生的辐射复合认识到这一点十分重要雷电并不仅仅是一种电现象，闪电在本质上是空间等离子体的集体复合过程，电（磁）现象只是它的外在表象尤其是使用“正负电荷中和” 的概念产生了严重的误导，使人误认为正负电荷“中和” 以后似乎都不存在、消失了事实是，闪电过后虽然云中的带电粒子（电荷）减少了，但却有等量的中性物质（粒子）被产生出来了这个十分重要的结果却被人们长期忽视了目前人类对闪电产生中性物质已有了初步的认识和实际的观测如对闪电产生氮氧化物（
30、NOX）的研究与观测周筠珺等利用 NOX 分析仪和大气平均电场仪在青海省大通县对雷暴天气过程中自然闪电产生的 NOX 进行了地面观测分析结果表明，在雷暴天气过程中由于闪电的发生，会产生大量的 NOX，在雷暴天气中，闪电次数与 NOX 的平均体积混合比峰值个数相同，且峰值由闪电产生类似的观测结果证实了闪电（等离子体复合过程）产生中性物质的真实性所谓球状闪电，则可能是在一个等离子体复合单元中自然地达到了一种特殊电场条件，使等离子体的电离率与复合率接近平衡点（复合率仍稍高于电离率），因而复合速率较低，故可以维持一定生存时间的等离子体复合现象事实上，此观点与现有理论是十分吻合的，只不过现有认识忽略了一
31、些重要的细节，从而导致了认识上的差异人们常常把闪电解释为云中正负电荷发生“中和” 而导致的显而易见的是，所谓“电荷 ”并非是虚空的，而总是由离子（包括电子）携带的因此，把闪电描述为“正负电荷发生中和 ”容易引起误解，会让人误认为似乎正负电荷 “中和”之后就都消失了正确的描述应该是：闪电是正负离子（等离子体）的复合过程复合后的“电荷”（离子）并未消失，而是转变成了中性粒子所以每一次闪电都必定有新的中性物质被“制造”出来这种物质可以是气体（补充空气），可以是液体（降雨），也可以是固体（形成冰雹、沙尘、鹅卵石、砾石、雨花石、宝石等等）对此人们尚缺乏足够的明确的认识空间等离子体的现代来源，主要是太阳辐
32、射、宇宙线辐射对空气、地表物质的电离、离解作用另外在火山爆发和强烈地震中，地表岩石、土壤也会由于巨大能量的释放而被电离火山爆发时喷出岩浆，岩浆已有较高电离度，喷出的水蒸气、烟尘、火山灰等物质也有一部分被电离，所以火山喷发时会有大量元素离子进入大气在强烈地震中，由于巨大能量的释放发生所谓“水土液化 ”，形成地震湖，在这样的过程中可能也有大量土壤或岩石被电离电离后的一部分元素离子进入大气，在电场条件适当的时候又再次复合为沙尘（形成土壤）、鹅卵石、砾石等等太阳能量使地球物质不断地发生电离，被电离的等离子体又不断地发生复合，这个过程就创造了地球上的空气、水、土壤等等每一次的台风、飓风、龙卷风等等，都会
33、有新的空气加入到大气层中，没有这种随时随地的补充，大气层可能不但无从产生，即便已经形成也早已散逸净尽了每一次的降雨、降雪等等，也都会有新的水加入到地球的江河湖海里来，没有这种不断的补充，海洋也可能不但无从产生，即便已经形成也早已蒸发净尽而干涸了每一次的沙尘暴，雨水中夹杂的沙尘，都在使土壤渐渐增厚，没有这种不断的洒落，土壤可能就不会出现，即使出现，也会很快被雨水冲刷到海洋中了地球上的物质就是这样不断地进行着新陈代谢，循环往复，从而展现出一个奇幻无比的多彩世界来 大气的水平运动称为风。空气运动是在力的作用下产生的，作用于空气的力有重力、气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力、摩擦力。这些力的性质各不相
34、同，对大气运动产生的作用也不一样。1水平气压梯度力。气压梯度是一个向量，它垂直于等压面，由高压指向低压，数值等于单位距离内的气压差。水平气压梯度的单位通常用 hPa/赤道度表示（1 赤道度等于在赤道上经度相差 1 度间的距离,约为 111km）。水平气压梯度很小，一般为 1hPa/赤道度3hPa/赤道度。而垂直气压梯度在低层大气可达 1hPa/10m，相当于水平气压梯度的十万倍。但有重力与其平衡，因此，运动的空气所受的总垂直分力并不大，对空气产生运动的作用并不如水平气压梯度明显。水平气压梯度虽小，却是推动空气运动的起始动力，是空气产生水平运动的直接原因和动力。2地转偏向力。空气在转动的地球表面
35、按水平气压梯度力方向运动的同时，会受到地球自转偏向力的影响。全球各纬度带的地转偏向力数值大小不等，赤道上的地转偏向力为零，极地的地转偏向力最大，其他纬度的地转偏向力介于两者之间。地转偏向力的方向在北半球指向物体运动的右方，在南半球指向物体运动的左方。地转偏向力只在空气相对于地表有运动时才产生，并且只改变空气运动的方向（风向），而不改变空气的运动速率（风速）。3惯性离心力。当空气作圆周曲线运动时还受到惯性离心力的作用。它的方向和空气运动方向垂直。实际上，空气运动时受到的惯性离心力一般比较小，往往小于地转偏向力。惯性离心力和地转偏向力一样，只改变空气运动的方向，不改变空气运动的速度。4摩擦力。大气
36、运动中受到的摩擦力一般分为内摩擦力和外摩擦力。内摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层之间产生的一种相互牵制的力，它主要通过湍流交换作用使气流速度发生改变，也称湍流摩擦力，其数值很小，往往不予考虑。外摩擦力是空气贴近下垫面运动时，下垫面对空气运动的阻力。它的方向与空气运动方向相反。一般海洋上摩擦力小，陆地上摩擦力大，所以海上风大，陆上风小。摩擦力可减小空气运动的速度，并引起地转偏向力相应减小。摩擦力对运动空气的影响以近地面最为显著，随着高度的增加而逐渐减小，到 1km2km 高度以上，摩擦力的影响已小到可忽略不计。因此，把此高度以下称为摩擦层，以上称为自由大气。风是怎样形成的 一年
37、四季，我们几乎每天都在和风打交道，有和煦的春风，也有刺骨的寒风。那么，你知道风究竟是怎样来的吗？ 如果给风下一个简单的定义，可以这样说：空气在水平方向上的流动就叫做风。风是由于空气受热或受冷而导致的从一个地方向另一个地方产生移动的结果。 我们知道，太阳照射着地表的不同区域，空气受阳光的照射后，就造成了有的地方空气热，有的地方空气冷。热空气比较轻，容易向高处飞扬，就上升到了周围的冷空气之上；而冷空气比较重，会向较轻空气的地方流动，于是空气就发生了流动现象，这样就产生了风。 风的形成乃是空气流动的结果。风能利用形成主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。 风就是水平运动的空气，空气产生运
38、动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；再高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向右偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向里的影响。大气真实运动是这两力综合影响的结果。 实际上，地面风不仅受这两个力的支配，而且在很
39、大程度上受海洋、地形的影响，山隘和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地却磨擦大使风速减少，孤立山峰却因海拔高使风速增大。因此，风向和风速的时空分布较为复杂。 在有海陆差异对气流运动的影响，在冬季，大陆比海洋冷，大陆气压比海洋高风从大陆吹向海洋。夏季相反，大陆比海洋热，风从海洋吹向内陆。这种随季节转换的风，我们称为季风。所谓的海陆风也是白昼时，大陆上的气流受热膨胀上升至高空流向海洋，到海洋上空冷却下沉，在近地层海洋上的气流吹向大陆，补偿大陆的上升气流，低层风从海洋吹向大陆称为海风，夜间（冬季）时，情况相反，低层风从大陆吹向海洋，称为陆风。 在山区由于热力原因引起的白天由谷地吹向
40、平原或山坡，夜间由平原或山坡吹向，前者称为谷风，后者称为山风。这是由于白天山坡受热快，温度温度高于山谷上方同高度的空气温度，坡地上的暖空气从山坡流向谷地上方，谷地的空气则沿着山坡向上补充流失的空气，这时由山谷吹向山坡的风，称为谷风。夜间，山坡因辐射冷却，其降温速度比同高度的空气交快，冷空气沿坡地向下流入山谷，称为山风。 此外，不同的下垫面对风也有影响，如城市、森林、冰雪覆盖地区等都有相应的影响。光滑地面或摩擦小的地面使风速增大，粗糙地面使风速减小等。地球上的水受到太阳光的照射后，就变成水蒸气被蒸发到空气中去了。水汽在高空遇到冷空气便凝聚成小水滴。这些小水滴都很小，直径只有 0.010.02 毫
41、米，最大也只有0.2 毫米。它们又小又轻，被空气中的上升气流托在空中。就是这些小水滴在空中聚成了云。这些小水滴要变成雨滴降到地面，它的体积大约要增大 100 多万倍。这些小水滴是怎样使自己的体积增长到 100 多万倍的呢？它主要依靠两个手段 ,其一是凝结和凝华增大。其二是依靠云滴的碰并增大。在雨滴形成的初期，云滴主要依靠不断吸收云体四周的水气来使自己凝结和凝华。如果云体内的水气能源源不断得到供应和补充，使云滴表面经常处于过饱和状态，那么，这种凝结过程将会继续下去，使云滴不断增大，成为雨滴。但有时云内的水气含量有限，在同一块云里，水气往往供不应求，这样就不可能使每个云滴都增大为较大的雨滴，有些较
42、小的云滴只好归并到较大的云滴中去。 如果云内出现水滴和冰晶共存的情况，那么，这种凝结和凝华增大过程将大大加快。当云中的云滴增大到一定程度时，由于大云滴的体积和重量不断增加，它们在下降过程中不仅能赶上那些速度较慢的小云滴，而且还会“ 吞并”更多的小云滴而使自己壮大起来。当大云滴越长越大，最后大到空气再也托不住它时，便从云中直落到地面，成为我们常见的雨水。 地球上的水受到太阳光的照射后，就变成水蒸气被蒸发到空气中去了。 水汽在高空遇到冷空气便凝聚成小水滴。这些小水滴都很小，直径只有 0.01 0.02 毫米，最大也只有 0.2 毫米。它们又小又轻，被空气中的上升气流托 在空中。就是这些小水滴在空中
43、聚成了云。 这些小水滴要变成雨滴降到地面，它的体积大约要增大 100 多万倍。这 些小水滴是怎样使自己的体积增长到 100 多万倍的呢？它主要依靠两个手段, 其一是凝结和凝华增大。其二是依靠云滴的碰并增大。在雨滴形成的初期，云滴主要依靠不断吸收云体四周的水气来使自己凝 结和凝华。如果云体内的水气能源源不断得到供应和补充，使云滴表面经常 处于过饱和状态，那么，这种凝结过程将会继续下去，使云滴不断增大，成 为雨滴。但有时云内的水气含量有限，在同一块云里，水气往往供不应求， 这样就不可能使每个云滴都增大为较大的雨滴，有些较小的云滴只好归并到 较大的云滴中去。 如果云内出现水滴和冰晶共存的情况，那么，
44、这种凝结和凝华增大过程 将大大加快。当云中的云滴增大到一定程度时，由于大云滴的体积和重量不 断增加，它们在下降过程中不仅能赶上那些速度较慢的小云滴，而且还会“ 吞并”更多的小云滴而使自己壮大起来。当大云滴越长越大，最后大到空气 再也托不住它时，便从云中直落到地面，成为我们常见的雨水.雨(rain)是从云中降落的水滴，陆地和海洋表面的水蒸发变成水蒸气，水蒸气上升到一定高度后遇冷变成小水滴，这些小水滴组成了云，它们在云里互相碰撞，合并成大水滴，当它大到空气托不住的时候，就从云中落了下来，形成了雨。雨的成因多种多样，它的表现形态也各具特色，有毛毛细雨，有连绵不断的阴雨，还有倾盆而下的阵雨。雨水是人类
45、生活中最重要的淡水资源，植物也要靠雨露的滋润而茁壮成长。但暴雨造成的洪水也会给人类带来巨大的灾难。地球上的水受到太阳光的照射后，就变成水蒸气被蒸发到空气中去了。水汽在高空遇到冷空气便凝聚成小水滴。这些小水滴都很小，直径只有 0.010.02 毫米，最大也只有 0.2 毫米。它们又小又轻，被空气中的上升气流托在空中。就是这些小水滴在空中聚成了云。这些小水滴要变成雨滴降到地面，它的体积大约要增大 100 多万倍。这些小水滴是怎样使自己的体积增长到 100 多万倍的呢？它主要依靠两个手段,其一是凝结和凝华增大。其二是依靠云滴的碰撞并增大。在雨滴形成的初期，云滴主要依靠不断吸收云体四周的水气来使自己凝
46、结和凝华。如果云体内的水气能源源不断得到供应和补充，使云滴表面经常处于过饱和状态，那么，这种凝结过程将会继续下去，使云滴不断增大，成为雨滴。但有时云内的水气含量有限，在同一块云里，水气往往供不应求，这样就不可能使每个云滴都增大为较大的雨滴，有些较小的云滴只好归并到较大的云滴中去。如果云内出现水滴和冰晶共存的情况，那么，这种凝结和凝华增大过程将大大加快。当云中的云滴增大到一定程度时，由于大云滴的体积和重量不断增加，它们在下降过程中不仅能赶上那些速度较慢的小云滴，而且还会“吞并”更多的小云滴而使自己壮大起来。当大云滴越长越大，最后大到空气再也托不住它时，便从云中直落到地面，成为我们常见的雨水。空气
47、流动的极限有吗？ 一般，研究空气流速分为一) 亚音速空气动力学。当流体流动速度小于音速时，我们称之为亚音速流动。更进一步，当马赫数（即流体速度与音速之比）小于 0.3 时，气体的可压缩性可以忽略不计。二) 跨音速空气动力学当流体速度接近或略超过音速（即马赫数约等于 1 时），我们称之为跨音速流动。跨音速流动的典型特征是激波和膨胀波。在其区域内，流体的各种性质发生剧烈变化，幅度之大，以至于我们可以认为通过激波的流体是不连续的。 跨音速流动要比单纯的亚音速和超音速都要复杂。三) 超音速空气动力学超音速空气动力学研究当流动速度大于音速时的情况。比如计算协和飞机在巡航状态下的升力就是一个超音速空气动力
48、学问题。超音速流动和亚音速流动有着显著的不同。在亚音速时，压力波动可以从流场后方传递至前方，而在超音速时，压力波动则无法传递至上游。这样，流体性质的变化便被压缩在一个极小的范围内，也就形成了所谓的激波。激波会将大量的机械能转化成热能。伴随着高粘性（参照雷诺数）流体的可压缩特性，激波的出现，是亚音速和超音速空气动力学的基本区别。空气速度没有极限（如果相对论对的话极限就是光速），只不过超过音速性质就大大改变了 怎么运用气压差计算空气流动速度例如测得在风速为 v 的空气中压力为 x 同等条件下风速为 0 时压力为 y怎么求得风速 v。柏努利方程gz+p/+v2/2=cg 是重力加速度，z 是高度，p 是压强， 是密度，v 是速度，c 是常数。
